張 力 何乃賢 楊靜雯 羅維多

（1. 中國石油長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅 慶陽 745000；2. 中油管道防腐工程有限責任公司，河北 廊坊 065000；3. 長慶油田公司隴東頁巖油開發(fā)項目部，甘肅 慶陽745000；4. 天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，甘肅 蘭州 730060）

0 引言

保溫管道補口特指的是帶有保溫層的鋼質(zhì)管道現(xiàn)場對口焊接完成后，對焊接段裸露的金屬管段采用與管本體涂層相同或接近的材料及其結(jié)構(gòu)形式進行保溫層涂覆，以滿足管本體涂層的連續(xù)性，達到防腐絕熱的要求。補口是保證管道涂層連續(xù)、完整性的唯一手段，但補口段涂層也是管道整體涂層的最弱環(huán)節(jié)，施工質(zhì)量往往引起整個管道的運行隱患。

管道補口技術(shù)是與管道主體涂層技術(shù)的同步發(fā)展起來的，常見的為單一防腐涂層補口，保溫涂層補口以及防腐加保溫涂層補口。而無論陸地管道或海洋管道，補口工作必須在陸上完成，然后才能直埋或入海,不同于管道本體涂層的場站內(nèi)施工，補口作業(yè)只能在管道建設工地、鋪管船或海洋管道節(jié)點防腐基地完成。所以選擇一種正確的補口材料和適當?shù)氖┕ぜ夹g(shù)對于保證整個管線的穩(wěn)健運行是至關(guān)重要的。

1 傳統(tǒng)保溫管道補口基本結(jié)構(gòu)形式

保證補口質(zhì)量是為了滿足鋼質(zhì)防腐管道或其他保溫管道長期穩(wěn)定地運行最重要關(guān)鍵一環(huán)，補口部位的防腐層及其保溫層在整體結(jié)構(gòu)上及其原材料的工藝要求應與管道本體中的防腐層及其保溫工藝相同，若無法采用同樣的材料或一致成型工藝，則應使得補口部位的防腐保溫層原材料及其工藝接近。而防腐或保溫管道的補口形式是隨著管本體的涂層經(jīng)歷著相同的發(fā)展階段，并出現(xiàn)了同一種涂層結(jié)構(gòu)多種不同的補口材料或結(jié)構(gòu)形式，其目的就是達到或超過管本體涂層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

1.1 傳統(tǒng)保溫管道補口類型

傳統(tǒng)保溫管道補口基本結(jié)構(gòu)形式主要有無機絕熱材料補口形式和聚氨酯保溫材料補口形式。

（1）無機絕熱材料補口

該補口方式主要應用于采用無機材料作保溫涂層的常溫管道，絕熱材料有石灰棉、硅藻土、蛭石、礦渣棉、玻璃棉、珍珠巖等，材料以氈或瓦塊形式包裹在管本體表面，并纏繞玻璃絲布、石油瀝青等外護，所以鋼管焊接段的補口，采用的成型工藝、保溫層材料、外護層材料、涂層結(jié)構(gòu)等均與管本體完全相同；

（2）聚氨酯保溫材料補口

直埋的保溫管主要采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料，補口可以采用簡單的聚氨酯泡沫瓦塊扣接后用聚氨酯泡沫料進行縫隙填充。也可采用預安裝完成后先進行外護層補口連接，然后在空腔內(nèi)澆注雙組分聚氨酯料進行保溫層成型；

（3）海洋管道補口

海洋保溫給水管道的填補口段主要采用了玻璃實心微珠聚丙烯、實心微珠聚氨酯、玻璃有機微珠一體復合實心聚氨酯（GSPU）、有機微珠復合實心聚氨酯（PSPU）、復合環(huán)氧樹脂材料、氣凝膠、相變儲能材料（PCM）等高密度抗壓保溫材料，安裝和灌注需要機械和人工進行配合。

1.2 聚氨酯直埋保溫管道補口形式

聚氨酯直埋保溫管道是長輸管道中最主要的保溫層結(jié)構(gòu)，管本體和補口結(jié)構(gòu)如圖1所示，保溫層為聚氨酯泡沫材料，補口為補口防腐層、保溫層和外護層，保溫層成型分為聚氨酯保溫瓦塊扣接及聚氨酯雙組份料現(xiàn)場發(fā)泡兩種形式。當采用模具現(xiàn)場發(fā)泡時，補口型模具的澆注口內(nèi)徑大小應與防水帽的外徑大小相同，模具必須將腳手架固緊在澆注口端部的防水帽連接處，其腳手架搭接的長度一般不宜小于100mm ，澆注口位置應朝上，并且還應注意保證腳手架的搭接縫處嚴密。當模具補口現(xiàn)場環(huán)境氣候溫度降到最低值或超過5℃時，模具、管線和泡沫塑料等原材質(zhì)均應經(jīng)過預熱之后進行發(fā)泡成型。

圖1 防腐保溫層補口結(jié)構(gòu)圖

對于聚氨酯直埋保溫管道，瓦塊或澆注的保溫層均能滿足長輸管道的要求，但在涂層失效的分析中發(fā)現(xiàn)，外護層的密封非常重要，一旦補口防護層發(fā)生破損，保溫管道涂層即會加速失效，因此外護層的結(jié)構(gòu)和密封性決定了補口結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

GB/T 29047-2012中明確規(guī)定，當連續(xù)性的工作型鋼管直徑≤200mm 時，應盡量采用熱縮帶的形式連接接頭；當管徑≥200mm ，并且熱縮帶長度≤450mm時，熱縮連接帶形式的接頭和電熔焊型接頭都可以使用；當管徑大于≥450mm 時，應考慮采用電熔焊接頭。雙密封連接頭的位置可以按現(xiàn)場的工況情況或者是設計需要進行。

（1）套袖熱縮帶接頭方式

在該種套管設計操作方式中，接頭上的套管由一種與采用預制保溫材料管殼上熱密度最高等級相同的優(yōu)質(zhì)聚乙烯新型套管接頭連接而來組成，用的是一條熱收縮連接帶將這種聚乙烯套管接頭通過套管進行連接安裝到保溫主管路上，以有效保證其冷熱水密性。然后我們通過整個接頭塑料套管上的一個注料孔將高溫聚氨酯作為原料通過注入輸送到整個接頭內(nèi)部后再進行二次發(fā)泡預熱成型，當其中的發(fā)泡全部成型完成后再直接采用一種高密度的高溫聚乙烯作為原料后再通過熱壓補口片或者熱壓高熔塑料焊接等多種方式對其中的發(fā)泡孔全部材料進行預熱密封。防護層的接縫補口長度應盡量選擇與墻體防護填料層內(nèi)徑厚度相配套的輻射交聯(lián)熱收縮橡膠補口帶和套或橡膠填料彈性補膠缺口帶，填料橡膠補口帶和套或橡膠填料帶與墻體防護層的接縫搭接補口長度一般大小不應大于超過厚度小于100mm。采用”管中管”安裝工藝焊接制造的電熱保溫管道修補口宜直接選擇新型電熱熱冷熔焊安裝套袖，并且也可以直接采用新型電熱熱熔焊套裝技術(shù)直接進行保溫加熱保護安裝；

（2） 電熔套筒

此種焊接方法是采用一個預埋有電阻絲的套筒，用捆扎帶把加熱的電熔套緊地捆扎在一個外套管上，預先規(guī)定好了焊接的時間，然后再將其連接通了一個電源就可以開始進行焊接，自動切斷電源后就會使得焊接過程終止，在套管已經(jīng)完全冷卻后就可以拆除綁帶。

1.3 海底配重保溫管道補口型式

圖2 海底單層保溫配重管節(jié)點補口示意圖（瀝青瑪蹄脂）

單層保溫管道現(xiàn)場接頭補口處的防護和填充技術(shù)是保證海底管線安全、穩(wěn)定地運行的重要技術(shù)基礎。早期的海底管道現(xiàn)場補口工程主要是采用瀝青瑪蹄脂+砂巖混合料澆注方法。采用該種工藝施工時，需要200℃以上的溫度下進行，因操作溫度過高。容易嚴重損害保溫管道自身本體內(nèi)外層原有的排水防腐層和保溫層，影響和達到保溫管道本身整體的排水防腐和保溫使用效果。從而對于我國海底保溫管道的安全和正常運行性能產(chǎn)生不良影響。海底單層保溫管現(xiàn)場接頭補口的補口過程中應分別對防腐層、保溫層、防護層及配重層進行補口。

在防腐層補口時，補口部位的表面應進行處理，補口帶的規(guī)格必須與管徑相匹配。補口膠帶的密封必須安裝在鋼管頂部，密封縫連接處的搭設長度不可能小于 40mm。PE補口膠帶的耐溫性能受到一定的限制，一般來說，最高溫度是85℃。如果主管溫度較高，則不使用PE補口膠帶。例如，在 PL19-3二期海底管道的施工設計中，管道的設計溫度可以達到100℃， PE補口膠帶不能夠正常使用。因此，對于建筑工程主管道內(nèi)部溫度大于85℃以下的設計需求，鋼管的防腐層可以考慮使用聚丙烯填充補口帶。聚丙烯的抗熱耐溫能力可以高達120℃，同時它的抗腐蝕能力也遠遠高于聚乙烯。

保溫層補縫主要是采用半瓦保溫補縫方法，要求所使用的保溫瓦規(guī)格、尺寸應與保溫層管端預留的長度相適應。材料應符合相關(guān)設計標準的要求。補口時，在兩塊保溫瓦的對接管端預留位置處用一根扎帶將兩塊保溫瓦固定好，并且要注意保溫瓦重合在一起，然后采取人工或者發(fā)泡形式來填補兩塊保溫半瓦之間的縫隙，以便于保溫層的連接嚴實。聚氨酯半瓦保溫時，由于半瓦與主管保溫層連接不緊密，會產(chǎn)生空隙。如果主管溫度高，空氣膨脹量就會增加。試驗表明，當空氣體積增加4倍時，壓力可達7.6×105Pa時，會導致補口防護層脫落、腐蝕和保護失效。因此，建議在保溫層補口設計中采用高密度聚氨酯泡沫（700kg/m3）代替半瓦，因為現(xiàn)場聚氨酯泡沫能與主管的聚氨酯保溫材料粘接形成一個整體，防止空隙的產(chǎn)生，加強防滲能力，節(jié)約管道防水帽的設計，節(jié)約材料，降低成本，提高效率[1]。

防護層的補口結(jié)構(gòu)與直埋保溫管道相似。補口膠帶必須適應與外部保護管的外徑匹配，其性能必須符合有關(guān)設計規(guī)范的要求。外護管、補口保溫層和補口膠帶應經(jīng)過清洗干凈，表面不應有油污、水泥、鐵銹及其他雜物。當采用加熱的收縮帶進行補口時，其搭接的寬度不可能超過50mm。

配重層補口設計主要采用澆注瀝青瑪蹄脂的形式，需要與主管段配重結(jié)構(gòu)相匹配。瀝青瑪蹄脂主要由瀝青、填料（石灰?guī)r）、骨料（砂）等材料構(gòu)成。由于瑪蹄脂的填充劑配方中可能含有大量的瀝青成分，容易對海水和環(huán)境造成嚴重的污染，如果對瑪蹄脂具有相關(guān)的環(huán)保要求，可以考慮采用 PUF（聚氨酯泡沫填充劑）結(jié)構(gòu)代替此設計，避免環(huán)境污染，加強和固定補口結(jié)構(gòu)。

配重層的補口結(jié)構(gòu)設計主要是通過在澆筑瀝青時采用瑪蹄脂混合料形式來實現(xiàn)，同時還需與各個主管段的配重結(jié)構(gòu)相匹配。瀝青瑪蹄脂由瀝青、填充材料（石灰?guī)r）和瀝青骨料（砂）等部分所組成，因瑪蹄酯的各種配方都含有瀝青的主要成分，對于海水和環(huán)境都會有一定的污染，因此若為環(huán)保而具有一定的要求，可以考慮采用 PUF（聚氨酯發(fā)泡填充）結(jié)構(gòu)來代替此種設計，避免環(huán)境污染問題，使補口得到加強和固定。

2 新型保溫管道補口結(jié)構(gòu)

隨著我國現(xiàn)代科學技術(shù)的進步，保溫管道中的防腐保溫工藝特別是深海地區(qū)的保溫管道工藝，高寒地區(qū)的保溫管道工藝已經(jīng)得到了突破性的發(fā)展?，F(xiàn)階段隨著保溫管路技術(shù)的不斷發(fā)展，新型保溫管路的保溫補口工藝技術(shù)隨著我國管體保溫和減壓器技術(shù)的不斷提高與進步而取得了發(fā)展和創(chuàng)新，在對于保溫系統(tǒng)中各種特殊材料的保溫補口工藝技術(shù)進行研究與改造之后，新型、多元化保溫補口工藝技術(shù)已經(jīng)在我國得到了大量推廣與應用。

2.1 新型海底單層保溫配重保溫管道補口型式

新型海底單層保溫配重管保溫管道補口采用“防腐熱收縮帶+PUF 澆注+防水熱收縮帶+高強開孔PUF澆注”其補口為“FBE+PUF半瓦+澆注聚氨酯彈性體”結(jié)構(gòu)，如圖3所示，其特點在于引入濕式保溫材料聚氨酯彈性體，提升了防水保溫性能。

圖3 新型海底單層保溫配重管保溫管道補口結(jié)果示意圖(保溫瓦加彈性體）

該新型補口技術(shù)選擇了聚氨酯彈性體材料作為外部防護涂層，中間使用了閉孔式的聚氨酯保溫半瓦保熱，輔以特別研制的專門開發(fā)出來的防水密封塑料膠條，可以達到良好的保溫與配重式管接頭的組合。主要優(yōu)勢有以下幾個方面：

（1）非硬質(zhì)發(fā)熱浸泡式噴涂聚氨酯保溫彈性體本身依然具有較高的耐熱和耐水抗壓保溫能力，可以很好地充分適應使用聚氨酯硬質(zhì)發(fā)泡塑料噴涂保溫管及配重塑料管在管口距離管體水深200m毫米處的保溫應用[2]；

（2）保溫材料半瓦的一種異形材料支腳，它不僅可以通過支腳使得材料彈性體在保溫半瓦進行澆注時被整個保溫環(huán)境所集中將半瓦徹底地緊緊包裹，對保溫材料半瓦的整個材料節(jié)點進行了一種機械性的保護，并且它還可以通過增大材料彈性體和材料節(jié)點之間的硬質(zhì)防腐層和其接觸面的范圍，增強其間的黏附力并且有效地加強防水，并有效地徹底阻止了來自外界的任何水分直接流向保溫半瓦。保溫保護半瓦器件還能夠起到加強高壓補償焊縫接口處的保溫保護作用；

（3）由于該補縫機體結(jié)構(gòu)合理，工序簡便，施工過程自動化水平高，可有效地降低焙燒熱縮帶等各個工序人工操縱所造成的質(zhì)量和安全風險；

（4）相對于其他的開孔聚氨酯泡沫，聚氨酯的彈性體本身具有良好的耐抗壓和彈性，可以確保在管路的鋪設中，托管架和鋪管的傳遞輪對到各個節(jié)點的部分涂層也不會產(chǎn)生任何損傷[3]。

2.2 低溫聚氨酯泡沫保溫管道補口型式

高緯度寒冷地區(qū)復合防腐保溫管道的補口及環(huán)縫補強結(jié)構(gòu)應滿足與管本體材質(zhì)相同的基本要求。管道低溫補口在國內(nèi)外尚無成熟的經(jīng)驗，常規(guī)的操作規(guī)程和方法也不適用。傳統(tǒng)的防腐保溫管道補口結(jié)構(gòu)一般為：鋼管-環(huán)氧底漆-熱縮套管-聚氨酯泡沫-電熱套管?？紤]到低溫對材料粘結(jié)性的影響，在覆土后的界面可能出現(xiàn)接縫裂隙滲水。采用以下新型補口結(jié)構(gòu)：固體環(huán)氧涂料-粘彈性防腐帶-聚氨酯保溫瓦-電熱熔接頭套管-粘彈性防腐膏-聚丙烯外保護帶，其特點是防腐層附著力強，保溫瓦結(jié)構(gòu)完整，外保護層材質(zhì)相同，接縫處過渡加強，低溫接縫密封完整，無滲漏。保溫接頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用低溫粘彈性膠帶和高溫防腐膏新型材料的新建筑結(jié)構(gòu)，采用預制的保溫瓦和聚丙烯外圍護帶的新建筑結(jié)構(gòu)加固。解決了低溫補口施工中的技術(shù)難題。該結(jié)構(gòu)工藝主要采用以下新材料、新工藝[4]。

圖4 低溫聚氨酯泡沫瓦保溫層補口結(jié)構(gòu)示意圖

（1）雙組分固體環(huán)氧涂料可作為原環(huán)氧底漆涂料，可在低溫下使用，低溫下固化速度快，鋼管底層覆蓋率100%；

（2）采用粘彈體防腐膠帶代替了原熱縮套防腐，低溫條件下不需要進行烘烤粘接，同時其粘接強度大于50 N/cm，滿足實際使用需要；

（3）聚氨酯泡沫瓦塊代替現(xiàn)場扣模發(fā)泡，工廠預制的定型聚氨酯保溫瓦在現(xiàn)場扣接，縮短現(xiàn)場施工時間。

粘彈體防腐帶、粘彈體防腐膏、聚氨酯保溫瓦塊以及聚丙烯補強帶新材料應用，解決了復合管低溫補口施工技術(shù)難題。無明火中頻感應預熱和加熱、預處理表面局部密閉，符合野外地區(qū)施工環(huán)保

基本要求，提高了粘接質(zhì)量和工藝水平。該技術(shù)的成功研究促進了國內(nèi)管道施工技術(shù)的發(fā)展，可為今后類似管道工程提供借鑒。

2.3 聚丙烯冷纏帶防腐保溫層補口型式

當現(xiàn)場施工環(huán)境溫度在-20℃以下時，為降低施工難度，在材料滿足設計規(guī)范各項指標的要求下，可采用冷纏膠帶代替加熱聚乙烯收縮帶。要求補口處防腐蝕保溫層等級及質(zhì)量不低于成品保溫管。其補口結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。補口材料用的底漆、黏彈體膠帶和聚丙烯冷纏帶等材料性能指標應滿足設計文件的要求，施工前應進行保溫處理。

圖5 聚丙烯冷纏帶防腐保溫層補口結(jié)構(gòu)圖

其中補口保溫層的施工有現(xiàn)場發(fā)泡和預制保溫瓦塊安裝兩種方式。試驗研究表明，現(xiàn)場發(fā)泡補口雖然與原保溫層結(jié)合較好，保溫效果較好，但在極寒條件下施工，需有發(fā)泡所需的熱環(huán)境，對加熱保溫措施和高壓發(fā)泡機等設備要求極為苛刻，費用高且不易實現(xiàn)，不適合在寒冷環(huán)境下施工[5]；保溫瓦塊捆扎方式相對于現(xiàn)場發(fā)泡方式， 適應環(huán)境能力強，施工效率高，費用低，施工過程中通過采取嚴格的工藝措施能滿足保溫質(zhì)量要求。

粘彈性膠帶纏繞時，應保持平整，張力適中，用壓輥沿焊道滾動除去氣泡，在纏繞時抽出隔離紙，同時卷出膠帶并將氣泡趕走，防腐層光滑無皺，搭接均勻，無氣泡，密封性好。粘彈體膠帶施工完成后應逐一進行外觀、厚度及漏點檢測。

經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)，粘彈體膠帶/管體防腐層的剝離強度大于2N/cm， 剝離面的膠層覆蓋率不低于90%。聚丙烯冷纏帶/粘彈體膠帶背材、聚丙烯冷纏帶/管體防腐層、聚丙烯冷纏帶自身搭接部位的剝離強度均大于20N/cm。粘彈體膠帶/管體防護層（含防水帽）的剝離強度大于2N/cm，剝離面的膠層覆蓋率不低于90%。聚丙烯冷纏帶/粘彈體膠帶背材、聚丙烯冷纏帶/管體防護層、聚丙烯冷纏帶自身搭接部位的剝離強度大于20N/cm。

3 結(jié)語

對于長輸保溫管道的補口結(jié)構(gòu)研究顯示:保溫管道在補口位置下的管體受到腐蝕后，其中一個重要的原因可能是由于防護層的密封而導致失效而造成排水。所以我們采取的對于補口處管路腐蝕性質(zhì)的控制措施中最為有效的方法之一就是確保補口處的防腐和保溫措施齊全不會出現(xiàn)進水事故。因此對補口處進行有效的防腐保溫密封至關(guān)重要。

為了有效地保障防腐性保溫管道能夠長期安全高效地運行，一方面我們還要繼續(xù)加強設計和研制出各種適合于生產(chǎn)和運行的與其相應的防腐性保溫補口結(jié)構(gòu)和其他有關(guān)的材料；另一方面，需要深入地研究保溫管線現(xiàn)場施工的技術(shù)。建議有關(guān)技術(shù)人員針對特殊環(huán)境下能夠選擇更好的補口結(jié)構(gòu)與修復方式，對于采用建議性補口和修復結(jié)構(gòu)的中小型長輸保溫管路補口進行有效性評價。